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光學(xué)新概念第二章第1頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月§1
成像
第二章光和光的傳播實(shí)物:相對(duì)于光學(xué)系統(tǒng),入射光束是發(fā)散的虛物:相對(duì)于光學(xué)系統(tǒng),入射光束是會(huì)聚的實(shí)像:相對(duì)于光學(xué)系統(tǒng),出射光束是會(huì)聚的虛像:相對(duì)于光學(xué)系統(tǒng),出射光束是發(fā)散的實(shí)物虛物實(shí)像虛像一、實(shí)像與虛像、實(shí)物與虛物:物像分類第2頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月
物與像第3頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月討論與交流:平面鏡能否成實(shí)像?平面鏡成虛像虛物的例子
第4頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2、物與像的共軛性注意!不是用物、像位置所在的空間來(lái)定義物、像空間的!1、物空間(物方)與像空間(像方)物空間入射光束所在的空間像空間出射光束所在的空間物點(diǎn)Q與像點(diǎn)Q′是一對(duì)對(duì)應(yīng)點(diǎn):共軛點(diǎn)二、物方和像方、物與像的共軛性物點(diǎn)Q與像點(diǎn)Q′是共軛點(diǎn)
第5頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月由費(fèi)馬原理得出物點(diǎn)Q到像點(diǎn)Q′的各條光線的光程相等物點(diǎn)Q到像點(diǎn)Q′的各條光線的光程相等四、等光程性面(自學(xué))三、物像之間的等光程性
第6頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月§2共軸球面組傍軸成像1、在介質(zhì)分界面∑上單球面上的折射一、光在單球面上的折射
第7頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2、在ΔQCM和ΔQ′CM中單球面上的折射★由正弦定律得整理得(1)式
第8頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月單球面上的折射展開聯(lián)立[1][2]得★由余弦定律得
第9頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月3、等光程性要求光線QQ'與φ無(wú)關(guān),所以單球面上的折射★由(3)式得
第10頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月二、阿貝不變式P421、傍軸光線條件2、由[4]式的第一式(開方取倒數(shù)后再除r
)得單球面軸物點(diǎn)上的折射公式←著名的阿貝不變式
<<<<第11頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月★光焦度2、由[4]式的第一式,得單球面軸上物點(diǎn)的折射公式←著名的阿貝不變式光焦度的單位是屈光度()你所戴眼鏡光焦度的度數(shù)是屈光度×100
第12頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月3、單球面軸物點(diǎn)上的焦距公式★
像方焦距★物方焦距4、高斯公式
★由著名的阿貝不變式第13頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月1、物距以物方焦點(diǎn)F
為坐標(biāo)原點(diǎn)
2、像距以像方焦點(diǎn)F′為坐標(biāo)原點(diǎn)
3、和都仍然以頂點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)
4、
光在球面上的折射其正、負(fù)號(hào)法則與笛卡爾符號(hào)的規(guī)定一致——左負(fù)右正Δ牛頓公式
第14頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月①球心位置—左負(fù)右正右方者為正,②物、像位置—虛負(fù)實(shí)正實(shí)物(頂點(diǎn)左方)為正,左方者為負(fù);(1)以頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)在頂點(diǎn)在主光軸虛物(頂點(diǎn)右方)為負(fù);★共軸球面系統(tǒng):★笛卡爾(坐標(biāo))法則
5、阿貝不變式的符號(hào)法則右左右左符號(hào)法則及其標(biāo)示方法主光軸;主截面;頂點(diǎn):折射面或入射面的對(duì)稱中心第15頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月★(2)光線角度從主光軸—順負(fù)逆正或球面(界面)法線
N算起,按小于90°旋轉(zhuǎn),順時(shí)針者為負(fù),逆時(shí)針者為正;
右左右左符號(hào)法則及其標(biāo)示方法★(3)物象主光軸—下負(fù)上正第16頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月★(5)一般假定光線從左向右進(jìn)行★(4)光路圖中,各量都用絕對(duì)值,即全正例:
右左右左符號(hào)法則及其標(biāo)示方法第17頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月1、普遍物、像距公式2、球面反射的焦距三、傍軸物點(diǎn)球面反射成像公式
★反射情形:第18頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月1、傍軸物條件2、橫向放大率的定義傍軸物點(diǎn)成像四、傍軸物點(diǎn)成像與橫向放大率
<<第19頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月3、橫向放大率的計(jì)算★折射橫向放大率★反射橫向放大率傍軸物點(diǎn)成像
第20頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月逐次成像或和……五、逐次成像——逐個(gè)球面成像法
第21頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月1、近軸光線——仰角或俯視角較小2、近軸物——入射角和反射角較小六、亥姆霍茲——拉格朗日定理
單球面上的折射3、亥姆霍茲——拉格朗日定理第22頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月橫向放大率判斷物、像的虛實(shí)七、(折射)橫向放大率的討論
第23頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月§3薄透鏡1、兩個(gè)折射面的折射
第二個(gè)折射面的虛物距:★光心——近似重合的頂點(diǎn)★薄透鏡——厚度近似為零★傍軸條件實(shí)際的透鏡一、焦距公式
第24頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際的透鏡2、薄透鏡的焦距由得
第25頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月由得即由高斯公式也可以得出薄透鏡的焦距
第26頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月★對(duì)薄透鏡的折射面的分別運(yùn)用阿貝不變式,可以得到兩個(gè)薄透鏡每個(gè)折射面的焦距★薄透鏡的總焦距★空氣里薄透鏡的總焦距:磨鏡者公式
第27頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月1、高斯公式★空氣里薄透鏡2、牛頓公式★代入高斯公式,得二、成像公式
s、f、x和s'、f'
、x'的關(guān)系第28頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月1、兩次成像,用兩次高斯公式★光焦度光焦度的單位是屈光度()你所戴眼鏡光焦度的度數(shù)是屈光度×1002、密接透鏡組的光焦度★密接透鏡組的光焦度三、密接透鏡組
第29頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月焦面的性質(zhì)四、焦面
第30頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月作圖法求軸外物點(diǎn)的像作圖法求共軛光線五、作圖法
第31頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月可以采用作圖法、公式法解決問(wèn)題例題1:P52例題2:P54六、透鏡組成像
第32頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月§4理想光具組1、理想光具組的性質(zhì)1——共線變換——一一對(duì)應(yīng)★物方每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)像方一個(gè)點(diǎn)(共軛點(diǎn))2、理想光具組的性質(zhì)2——望遠(yuǎn)系統(tǒng)★光軸上任何一點(diǎn)的共軛點(diǎn)仍然在光軸上★任何垂直于光軸的平面,其共軛面仍然與光軸垂直★在垂直于光軸的同一平面內(nèi)的橫向放大率相同一、理想成像與共軛變換
★物方每條直線對(duì)應(yīng)像一條直線(共軛線)★物方每個(gè)平面對(duì)應(yīng)像一個(gè)平面(共軛平面)★在垂直于光軸的不同平面內(nèi)的橫向放大率一般不相同第33頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月3、理想光具組共線變換的性質(zhì)軸對(duì)稱光具組共線變換的性質(zhì)
第34頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月★理想光具組:物點(diǎn)、像點(diǎn)共軛;純幾何(光學(xué))理論★共軸光具組:近(傍)軸光線條件★基點(diǎn)和基面:焦點(diǎn)、焦平面;主點(diǎn)、主平面;節(jié)點(diǎn)、節(jié)平面焦點(diǎn)、焦平面主點(diǎn)、主平面節(jié)點(diǎn)、節(jié)平面二、共軸理想光具組的基點(diǎn)與基面
第35頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月1、主點(diǎn)、主平面;焦點(diǎn)、焦平面透鏡的主點(diǎn)、主平面;焦點(diǎn)、焦平面
★透鏡的主平面確定后,透鏡的折射即等效于主平面的折射★圖2-21對(duì)主平面的畫法并不恰當(dāng)?shù)?6頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2、不同曲率透鏡的主點(diǎn)和主平面
不同曲率透鏡的主點(diǎn)和主平面★不同曲率透鏡主點(diǎn)和主平面的位置可以經(jīng)過(guò)計(jì)算得到第37頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月三、理想光具組的物像關(guān)系理想光具組的物像關(guān)系
1、由主點(diǎn)和焦點(diǎn)決定物像關(guān)系第38頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月理想光具組的物像關(guān)系
★高斯公式★牛頓公式★橫向放大率~~第39頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2、理想光具組的角放大率★角放大率的定義則角放大率的含義
第40頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月3、節(jié)點(diǎn)的定義
節(jié)點(diǎn)的含義★角放大率為+1的共軛光線入射光線共軛的出射光線第41頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月P,P′仍然從O1和O2算起1、主點(diǎn)、主平面F,F′從H和H′算起厚透鏡的焦點(diǎn)、主點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)3、基點(diǎn)的確定
主平面:橫向放大率為β=1的一對(duì)共軛面主點(diǎn)P:主平面與主光軸的交點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)、節(jié)平面節(jié)平面:角放大率為β=+1的一對(duì)共軛面節(jié)點(diǎn)N:節(jié)平面與主光軸的交點(diǎn)
本次作業(yè)(P95)——12;15;22
四、理想光具組基點(diǎn)、基面小節(jié)第42頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月END2-1四、理想光具組的聯(lián)合(略)
本次作業(yè)(P95)——12;15;22
理想光具組的聯(lián)合第43頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月§5光學(xué)儀器1、原理投影儀的光路圖一、投影儀器
特點(diǎn):s≈f;s′>>f;V=–s′/s
≈s′/f
“聚光鏡”緊帖畫片,經(jīng)過(guò)畫片的出射光是會(huì)聚光;會(huì)聚光經(jīng)投影鏡頭均勻放大后,呈現(xiàn)在屏幕上;2、特點(diǎn)3、光路均勻放大★將光源的像經(jīng)過(guò)“聚光鏡”投影物面上;★缺點(diǎn)是光源的不均勻性會(huì)影響顯微鏡的觀察效果;第44頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月照相機(jī)的光路圖二、照相機(jī)
1、原理特點(diǎn):s>>f;s′≈f
′;
V=–s′/s
≈–f′/s相當(dāng)于單凸透鏡成縮小的實(shí)像2、特點(diǎn)3、光路第45頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2、照相物鏡的景深景深:物鏡能夠成清晰像的物距范圍
★景深的含義:物鏡能夠成清晰像的物距范圍★影響景深的因素:光闌大小、焦距和物距景深第46頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月A眼球的構(gòu)造
1.331.331.422、角膜:鞏膜中突出的透明部分,R≈0.8cm3、脈絡(luò)膜:鞏膜內(nèi)層,不透光,暗房4、虹膜:脈絡(luò)膜前部彩簾,眼球的顏色,調(diào)節(jié)瞳孔大小5、瞳孔:虹膜中間,調(diào)節(jié)進(jìn)入光通量D≈1mm~8mm很小1、鞏膜:最外層,白色,D≈2.4cm眼球橫切面三、眼睛
第47頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月1.331.331.426、晶狀體:瞳孔內(nèi)液體。
n不均勻7、睫狀?。号c虹膜相聯(lián),調(diào)節(jié)水晶體曲率,看清遠(yuǎn)近物體8、前房液:水晶體前,角膜后,n=n水9、后房液:水晶體后,網(wǎng)膜前n=n水10、視網(wǎng)膜:錐形細(xì)胞:色彩,細(xì)節(jié)
黃斑點(diǎn):靈敏,1′中央光軸盲點(diǎn):
桿錐細(xì)胞之間
1.42桿形細(xì)胞:黑白明暗;錐形細(xì)胞
第48頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月B簡(jiǎn)化眼模型角膜頂O
簡(jiǎn)化眼模型
第49頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月C人眼的調(diào)節(jié)功能7~8cm約2m青中年∞老年∞幼年∞1、眼睛像方焦點(diǎn)與視網(wǎng)膜重合14~25cm←
明視距離25cm
簡(jiǎn)化眼模型2、感光范圍390nm~760nm
遠(yuǎn)物:遠(yuǎn)點(diǎn)(睫狀肌完全放松);近物:近點(diǎn)(睫狀肌最大收縮)第50頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月C人眼的調(diào)節(jié)功能3、分辨“角”⑶視場(chǎng)角⑵黃斑的最小分辨角
★水平視場(chǎng)角約160°★垂直視場(chǎng)角約130°★最清晰的視場(chǎng)范圍約6°~7°⑴瞳孔直徑:d=2mm~8mm;★晚上為1°★白天為1′
簡(jiǎn)化眼模型
第51頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月★D非正常眼睛及其矯正1、近視眼:遠(yuǎn)點(diǎn)不是無(wú)窮遠(yuǎn)近視眼睛與眼鏡矯正方法:在近視眼睛前加一個(gè)凹透鏡矯正目標(biāo):將遠(yuǎn)點(diǎn)矯到無(wú)窮遠(yuǎn)眼鏡的度數(shù):凹透鏡的光焦度光焦度的單位是屈光度()你所戴眼鏡光焦度的度數(shù)是屈光度×100
第52頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月3、散光眼:角膜是橢球形狀,而正常眼睛的角膜形狀是球型的4、白內(nèi)障:晶狀體液體渾濁矯正目標(biāo):將近點(diǎn)矯到25cm2、遠(yuǎn)視眼:近點(diǎn)是2m左右(非明視距離)5、當(dāng)今大多數(shù)近視者,乃不良習(xí)慣之咎也,非營(yíng)養(yǎng)、用功之故。矯正方法:在近視眼睛前加一個(gè)凸透鏡矯正比較困難手術(shù)治療
遠(yuǎn)視眼睛與眼鏡第53頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月四、放大鏡與目鏡放大鏡眼睛使用助視儀器的視角U′為眼睛直接成像的視角w為放大鏡的角放大率為注意:焦距一般用厘米作單位,所以,式中cm不能漏掉。放大鏡的角放大率眼睛
1、放大鏡的放大率第54頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2、惠更斯目鏡★目鏡組成:向場(chǎng)鏡、接目鏡⑵光路⑶視場(chǎng)光闌的位置視場(chǎng)光闌、差絲和刻度尺安在F2處,即在接目鏡的物方焦平面上惠更斯目鏡的光路圖向場(chǎng)鏡接目鏡視場(chǎng)光闌⑴構(gòu)成:向場(chǎng)鏡L1,接目鏡(視鏡)L2,★作用:定標(biāo)、放大、消像差
第55頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月⑵光路⑶視場(chǎng)光闌的位置:接目鏡向場(chǎng)鏡①通過(guò)光心(節(jié)點(diǎn))的光線不改變方向②平行光線折射后會(huì)聚在L2的焦平面上③最后成像在我們的視網(wǎng)膜上eye視場(chǎng)光闌、差絲和刻度尺安在F
2
處,即在接目鏡的物方焦平面上?;莞鼓跨R的光路圖
第56頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月⑴組成:兩凸面相對(duì)的平凸透鏡構(gòu)成⑵光路場(chǎng)鏡接目鏡視場(chǎng)光闌冉斯登目鏡的光路圖注意:冉斯登目鏡的物,可以是像,也可以是實(shí)物,所以,既可以測(cè)量,又可以放大;而惠更斯目鏡的物是虛像,只能測(cè)量,不能放大。3、冉斯登目鏡
第57頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月接目鏡向場(chǎng)鏡使用光心和焦平面eye⑵光路⑶視場(chǎng)光闌視場(chǎng)光闌視場(chǎng)光闌、差絲和刻度尺安在F處(在接目鏡物方焦平面FQ處)即在接目鏡的物方焦平面上。冉斯登目鏡的光路圖
第58頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月五、顯微鏡1、組成及特點(diǎn)★兩凸透鏡(組)構(gòu)成,物鏡的焦距短顯微鏡光路圖
第59頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2、顯微鏡的角放大率
顯微鏡光路圖
第60頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月六、望遠(yuǎn)鏡1、組成及特點(diǎn)★兩透鏡(組)構(gòu)成,物鏡的焦距長(zhǎng)望遠(yuǎn)鏡光路圖
第61頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月★A
開普勒望遠(yuǎn)鏡1、組成及特點(diǎn):2、光路3、放大本領(lǐng)兩凸透鏡(組)構(gòu)成得開普勒望遠(yuǎn)鏡光路圖
第62頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月★B伽利略望遠(yuǎn)鏡1、組成及特點(diǎn):2、光路3、放大本領(lǐng)一凸透鏡(組)和一凹透鏡(組)構(gòu)成得伽利略望遠(yuǎn)鏡光路圖
第63頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月七、棱鏡光譜儀★分光鏡★攝譜儀★單色儀★平行光(準(zhǔn)直)管棱鏡光譜儀2、角色散本領(lǐng)★角色散本領(lǐng)的定義1、基本概念★角色散本領(lǐng)的計(jì)算
第64頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月棱鏡光譜儀
第65頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月棱鏡光譜儀2、角色散本領(lǐng)★角色散本領(lǐng)
第66頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月§6光闌一、有效光闌入射光瞳與出射光瞳1、有效(孔徑)光闌
★有效(孔徑)光闌:真正控制主光軸上入射光孔徑的約束物
★入射孔徑角、出射孔徑角:透鏡的有效(孔徑)光闌和孔徑角
2、入射光瞳與出射光瞳:孔徑光闌經(jīng)其前、后光學(xué)系統(tǒng)所成的像第67頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月(1)將光學(xué)系統(tǒng)所有光闌(各個(gè)透鏡和光圈等)----對(duì)其前面的光學(xué)系統(tǒng)(物空間)成像,求像之大小和位置;(2)由物位置(點(diǎn))向上述像邊緣和----作連線,求其張角(3)張角最小者
,
其像就是入瞳,其共軛物即是有效光闌B后面光學(xué)系統(tǒng)L2B前面光學(xué)系統(tǒng)L1第一個(gè)透鏡邊緣3、尋找有效光闌和光瞳的方法
尋找有效光闌和光瞳的方法(4)有效光闌確定后,其對(duì)其后面光學(xué)系統(tǒng)(像空間)所成像即是出瞳第68頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月三、視場(chǎng)光闌入射窗和出射窗(略)
1、視場(chǎng)光闌
★視場(chǎng)光闌:控制軸外入射光孔徑的約束物
★主光線:經(jīng)過(guò)入射光瞳中心和出射光瞳中心的共軛光線★入射視場(chǎng)角、出射視場(chǎng)角:主光線與主光軸的夾角2、入射窗和出射窗:視場(chǎng)光闌經(jīng)其前、后光學(xué)系統(tǒng)所成的像視場(chǎng)光闌視場(chǎng)光闌DD第69頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月§7像差(略)一、像差概述2、像差的分類——幾何像差1、理想成像的條件
★物方每一點(diǎn)發(fā)出的同心光束在像方仍然保持的同心光束;★垂直于光軸的平面上各點(diǎn)的像仍然在垂直于光軸的平面上;★在每個(gè)像平面內(nèi)其橫向放大率相同,從而保持物、像的幾何相似性(1)單色像差:——球面像差;彗形像差;像散;像場(chǎng)彎曲;畸變★理想(光具坐)成像,無(wú)單色像差——一級(jí)近:★考慮三級(jí)近似成像,有5種單色像差:第70頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2、像差的分類——幾何像差
(2)單色像差:——非單色物引起的像差,起原因主要是:★光學(xué)均勻性;★最大透明性;★無(wú)色;★堅(jiān)固;★化學(xué)穩(wěn)定性——其他原因——縱向(軸向)色差——橫向色差——改善色差的方法第71頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月二、像面球差球差
第72頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月三、彗形像差彗形像差
第73頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月四、正弦條件和齊明點(diǎn)正弦條件1、正弦條件2、齊明點(diǎn):滿足正弦條件共軛點(diǎn)
第74頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月五、像散和像面彎曲像散
第75頁(yè),課件共85頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月像面彎曲
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